生物芯片無限希冀

2004年6月A版

生物芯片概念

　　生物芯片是一種把DNA、蛋白質(zhì)、抗體、肽等生物分子或細(xì)胞固定到硅、玻璃、高分子、和金基板等固體表面上，通過固定化的生物分子、固化蛋白質(zhì)(探針)等與其他化合物靶點(diǎn)相結(jié)合，生成并檢測其特異反應(yīng)的芯片。它具有能以微量樣品實(shí)現(xiàn)大量快速檢測和分析的特點(diǎn)。在需要大量同時(shí)并行處理的后染色體時(shí)代的生物分子功能分析技術(shù)中，以DNA芯片為首的生物芯片技術(shù)是最為重要的。基本上，生物芯片是利用生物分子的固有功能來模仿生物功能的人工器件，它是一種誘發(fā)電信號(hào)又能進(jìn)行電信號(hào)處理的設(shè)備。

　　生物芯片在遺傳基因功能分析領(lǐng)域已被廣泛采用。例如核酸密集固定化在基板上，能通過雜化作用來檢測互補(bǔ)排列存在的DNA芯片(DNA微陣列)和固定化蛋白質(zhì)相互作用的蛋白質(zhì)芯片等。生物芯片中目前研究最多的是DNA芯片，一般是利用它在某種條件與對照條件下分析遺傳基因發(fā)現(xiàn)量的差異。

　　蛋白質(zhì)芯片是把DNA芯片上的核酸改為蛋白質(zhì)而已。但因控制非特異的吸附以保持正確的主體結(jié)構(gòu)和在大氣中的穩(wěn)定性問題，固定化技術(shù)頗為困難，故而目前不如DNA芯片普及。

　　此外，利用微細(xì)加工技術(shù)在硅、玻璃等基板表面上形成通路和電路，在微小空間里實(shí)現(xiàn)反應(yīng)、分離、檢測等的設(shè)備，如片上實(shí)驗(yàn)室、mTAS(微型完整分析系統(tǒng))、生物MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))等都已實(shí)用。這些也都稱為生物芯片。

　　生物芯片的種類如表1所示。這些生物芯片隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可望給遺傳基因研究新藥開發(fā)及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域帶來巨大變化。生物芯片技術(shù)正以極快的速度發(fā)展，今后可望取得更大的進(jìn)展。

　　據(jù)日本預(yù)測，世界生物芯片市場如圖1所示。2001年約為4.2億美元(DNA芯片3.7億美元，其余3200萬美元)，預(yù)計(jì)到2005年將增長到9.32億美元，其間年均增長率22%，另外，預(yù)計(jì)到2010年將增長到66.94億美元，2001~10年的年均增長率更高，達(dá)到36%。

　　DNA芯片市場將在2006年以后出現(xiàn)突破，醫(yī)療現(xiàn)場應(yīng)用是最重要的驅(qū)動(dòng)力量。要達(dá)到這一水平，還必需提高DNA的生產(chǎn)率，同時(shí)降低價(jià)格。此后，由于價(jià)格的下降及應(yīng)用的擴(kuò)大，市場將會(huì)更快增長。

　　另一方面，DNA芯片之外的生物芯片大多尚處于研究開發(fā)階段，預(yù)計(jì)真正的實(shí)用化尚需時(shí)日。市場突破將晚于DNA芯片，大致將在2007年以后。不過，由于從日常健康管理到個(gè)體醫(yī)療、新藥開發(fā)等廣泛應(yīng)用，預(yù)料市場將迅速擴(kuò)大，2008年后的增長率將超過DNA芯片。

生物芯片的應(yīng)用發(fā)展

　　生物芯片產(chǎn)業(yè)包括芯片制造的“硬件”部分與安放什么作為試樣(內(nèi)容)及用芯片來干什么(應(yīng)用)的“軟件”部分。

　　生物芯片的主要應(yīng)用以遺傳基因診斷、新藥開發(fā)及臨床診斷最為引人注目。疾病的遺傳基因分析對疾病的早期發(fā)現(xiàn)及早期治療非常重要，今后對遺傳基因診斷會(huì)越來越高。此外，隨著表示個(gè)人差異的所謂SNP(Single Nucleotide Polymorphism——單核苷多態(tài)性)分析的迅速推廣，基于個(gè)人的SNP信息的新藥開發(fā)及施行符合個(gè)人差異的個(gè)體醫(yī)療同樣是最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　同時(shí)，對各種疾病從SNP遺傳變異的檢測到過去必須花費(fèi)很長時(shí)間培養(yǎng)的病原菌的檢測等都有了可能。

　　在生物芯片硬件產(chǎn)業(yè)中，由染色體分析和芯片技術(shù)獲得的大量DNA及蛋白質(zhì)信息再經(jīng)高速精確處理后的生物信息數(shù)據(jù)，對未來個(gè)體醫(yī)療將有巨大影響。生物芯片診斷試劑的開發(fā)涉及多種領(lǐng)域，一旦開發(fā)成功，效果極大。隨著為弄清人種間、民族間遺傳差異研究的進(jìn)行，有必要開發(fā)檢測物定人群的特有信息技術(shù)。估計(jì)在不久的將來，醫(yī)療費(fèi)用中大約20%將是診斷費(fèi)用，因而DNA芯片和蛋白質(zhì)芯片將是一個(gè)很大的市場。

　　DNA芯片要能廣泛采用，現(xiàn)行價(jià)格還太高。誰要能開發(fā)出廉價(jià)的芯片制造技術(shù)，誰就將取得主導(dǎo)權(quán)。另一方面，軟件及內(nèi)容部分也將成為今后的巨大挑戰(zhàn)。

預(yù)計(jì)今后將對生物芯片市場產(chǎn)生影響的技術(shù)包括：

　　很有希望的市場領(lǐng)域首先是片上實(shí)驗(yàn)室與mTAS；其次是蛋白質(zhì)芯片；第三是特殊應(yīng)用的生物芯片；第四為DNA芯片，尤其是已有DNA芯片的應(yīng)用。為了推廣應(yīng)用DNA芯片及蛋白質(zhì)芯片進(jìn)行診斷或?qū)κ称?、化學(xué)物質(zhì)作出評(píng)價(jià)，必須隨著芯片硬件技術(shù)進(jìn)步把價(jià)格降下來，而后確定診斷與評(píng)價(jià)芯片上是什么樣的排列(即內(nèi)容)。

　　預(yù)期今后幾年內(nèi)，從對全部遺傳基因排列的大規(guī)模篩選到幾個(gè)試樣為靶的簡易篩選的各種生物芯片技術(shù)應(yīng)用都很廣，并可望由此形成外部計(jì)測設(shè)備等的巨大市場。未來生物芯片發(fā)展前途無量?！?及泉)